CN206563386U - 内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统 - Google Patents

Abstract

本专利涉及一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块、风冷装置、第一中间换热器、第二中间换热器和自然散热装置，所述第一中间换热器一侧为第一吸热侧，另一侧为第一制冷侧，第二中间换热器一侧为第二吸热侧，另一侧为第二制冷侧，第一吸热侧与液冷模块连通形成循环回路，第二吸热侧与风冷装置连通形成循环回路；所述第一制冷侧和第二制冷侧的出口连通自然散热装置的进口，第一制冷侧和第二制冷侧的进口连通自然散热装置的出口，进而形成循环回路。本专利中的风冷装置和液冷模块共同利用自然散热装置进行散热，充分利用了自然冷源，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗，节省了能源。

Description

内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统

技术领域

本专利涉及数据中心自然冷却领域，具体涉及一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统。

背景技术

常用的数据中心服务器散热系统中，服务器CPU等高密度热源采用液冷通道散热，即液态流体通过与服务器主要发热芯片隔离接触吸热，带走了服务器总发热量70%～80%，而剩下的20%～30%的服务器热量则通过风冷通道带走。由于液冷通道散热效率高，因此采用自然冷却即可满足散热需求，无需压缩机参与制备冷源，整体能耗低，而风冷通道还是有压缩机参与制冷，所以风冷通道的压缩机能耗成为最新散热系统主要能耗设备。

传统的机房冷冻水空调系统末端送风温度约为15℃~16℃，在新版GB 50174《数据中心设计规范》中，服务器允许进风温度提高到32℃，即表明提高后的服务器允许进风温度也可满足服务器散热要求，同时服务器主要发热量已经通过高效的液冷通道散发出去，只剩下小部分分散式发热量，这使得风冷通道去除压缩机，利用自然冷源进行散热成为可能。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺陷，本专利提供一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，能够充分利用自然冷源实现数据中心自然冷却，节约能源。

针对本专利来说，上述技术问题是这样加以解决的：一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块、风冷装置、第一中间换热器、第二中间换热器和自然散热装置，所述第一中间换热器一侧为第一吸热侧，另一侧为第一制冷侧，第二中间换热器一侧为第二吸热侧，另一侧为第二制冷侧，第一吸热侧与液冷模块连通形成循环回路，第二吸热侧与风冷装置连通形成循环回路；所述第一制冷侧和第二制冷侧的出口连通自然散热装置的进口，第一制冷侧和第二制冷侧的进口连通自然散热装置的出口，进而形成循环回路。

所述液冷模块用于吸收服务器中主要发热元件的集中式热量，风冷装置用于吸收服务器中其他元件的分散式热量。液冷模块利用液体换热介质比热容大、对流换热快、蒸发潜热大等特点，所以才能够结合自然散热装置对服务器主要发热元件进行自然冷却，满足散热需求，其次因为服务器中70%~80%的热量已被液冷模块带走，服务器中其余的分布式热量允许进一步提高送风温度到32℃，这使得风冷装置能够结合自然散热装置对服务器中的其他发热元件进行自然冷却，再者第一中间换热器和第二中间换热器的设置将液冷模块、风冷装置与自然散热装置之间的换热回路分成了两级，间接缩短了自然散热装置所在的换热回路，降低换热介质在换热回路中的压降，从而加快了换热介质的流速，提高换热效率。综上，本专利充分利用自然冷源进行散热，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗，节省了能源。

进一步地，还包括第一三通阀，所述第一三通阀包括第一接口、第二接口和第三接口；所述第一制冷侧和第二制冷侧的出口均通过第一接口和第二接口连通自然散热装置的进口，第一制冷侧和第二制冷侧的进口连通自然散热装置的出口，进而形成循环回路，第三接口连通自然散热装置的出口。

所述第三接口连通自然散热装置的出口，意味着从第一制冷侧和第二制冷侧的出口输出的高温换热介质可以不经自然散热装置进行换热，并重新回到中间换热器中进行换热，所以当制冷量过剩时可以适当打开第三接口，减少制冷量，节省自然散热装置的能耗，还能够在一定程度上保护液冷模块和风冷装置不会温度过低，可靠性高，因为当液冷模块和风冷装置温度过低导致服务器温度过低时，服务器中的元件、电路板和线路等受冷收缩，有可能导致三者间接触不良等现象发生，同时也有可能因过冷而产生凝露现象，避免凝露导致的电路短路、霉菌滋生和材料腐蚀等安全隐患，进一步保证系统安全稳定运行。

进一步地，还包括第二三通阀，所述第二三通阀包括第四接口、第五接口和第六接口，自然散热装置的出口连通第四接口，并通过第五接口连通第一制冷侧的进口，通过第六接口连通第二制冷侧的进口。

当风冷装置的制冷量过剩或液冷模块的制冷量过少时，可适当增加第五接口和第六接口之间的开度比例，增加流到第一制冷侧中的换热介质，增加第一制冷侧的制冷量，从而使第一吸热侧能够从液冷模块中吸收更多的热量；当风冷装置的制冷量过少或液冷模块的制冷量过剩时，可适当降低第五接口和第六接口之间的开度比例，增加流到第二制冷侧中的换热介质，增加第二制冷侧的制冷量，从而使第二吸热侧能够从风冷装置中吸收更多的热量，因此，该第二三通阀便于根据实际情况进行调整，灵活性好，提高了系统适应性。

进一步地，所述第一吸热侧的进口或出口上设有第一循环泵，第一循环泵上设有第一变频器。

当制冷量不能满足液冷模块的需求时，可适当升高第一变频器的工作频率，使第一循环泵加快运转，提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量，稳定性好；当制冷量有盈余时，可适当降低第二变频器的工作频率，使第二循环泵减慢运转速度，降低回路中换热介质的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器因过冷而收缩或产生凝露而损害。

进一步地，所述第二吸热侧的进口或出口上设有第二循环泵，第二循环泵上设有第二变频器。

当制冷量不能满足风冷装置的需求时，可适当升高第二变频器的工作频率，使第二循环泵加快运转，提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量，稳定性好；当制冷量有盈余时，可适当降低第二变频器的工作频率，使第二循环泵减慢运转速度，降低回路中换热介质的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器因过冷而收缩或产生凝露而损害。

进一步地，还包括设在自然散热装置出口或进口的第三循环泵，第三循环泵上设有第三变频器。

当制冷量不能满足风冷装置或液冷模块的需求时，可适当升高第三变频器的工作频率，使第三循环泵加快运转，提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量，稳定性好；当制冷量有盈余时，可适当降低第三变频器的工作频率，使第三循环泵减慢运转速度，降低回路中换热介质的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器因过冷而收缩或产生凝露而损害。

进一步地，所述自然散热装置上设有第四变频器。

当制冷量不能满足风冷装置或液冷模块的需求时，可适当升高第四变频器的工作频率，使自然散热装置加快运转，提高换热介质与自然环境的换热效率，进而加大制冷量，保证系统正常运行；当制冷量有盈余时，可适当降低第四变频器的工作频率，降低换热介质与自然环境的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器过冷而收缩或产生凝露，造成损害。

进一步地，还包括并联自然散热装置进口和出口的制冷补偿装置。

当自然散热装置不能提供足够的制冷量供冷或出现故障停止运行时，制冷补偿装置就可以对自然散热装置进行制冷补偿，保障系统正常散热。

进一步地，所述风冷装置的进口设有第一温度传感器，液冷模块的进口设有第二温度传感器。

当所述第一温度传感器和第二温度传感器的其中一个检测到温度低于设定值，另一个检测到温度高于设定值时，可适当调整第五接口和第六接口之间的开度比例，将换热介质更多地分配到温度偏高的换热回路中，增加制冷量，保障系统稳定散热；当所述第一温度传感器和第二温度传感器同时检测到温度低于设定值时，可适当降低第三变频器或第四变频器的运行频率，减慢换热介质的流动速率，进而降低换热效率，或者扩大第三接口，减少流经自然散热装置的换热介质，直至将第一温度传感器和第二温度传感器的温度升高到设定值合理范围内，节约能耗，避免服务器因过冷而收缩或产生凝露而损害。

进一步地，所述风冷装置的出口设有第三温度传感器，液冷模块的出口设有第四温度传感器。

当所述第三温度传感器检测到的温度高于设定值，而第四温度传感器检测到温度在设定范围内时，可适当提高第二变频器的运行频率，加快换热介质的流动速率，提高制冷量；当所述第三温度传感器检测到的温度在设定范围内，而第四温度传感器检测到温度高于设定值时，可适当提高第一变频器的运行频率，加快换热介质的流动速率，提高制冷量；当所述第三温度传感器检测到的温度高于设定值，而第四温度传感器检测到温度低于设定值，或者第三温度传感器检测到的温度低于设定值，而第四温度传感器检测到温度高于设定值时，可适当调整第五接口和第六接口之间的开度比例，将换热介质更多地分配到温度偏高的换热回路中，增加制冷量，保障系统稳定散热；当所述第三温度传感器和所述第四温度传感器同时检测到温度高于设定值时，可适当升高第一变频器、第二变频器、第三变频器或第四变频器的频率，或者关小第三接口增大流经自然散热装置的换热介质，直至将第三温度传感器和第四温度传感器的温度降低到设定值合理范围内。综上，本专利可通过上述检测控制手段提高换热介质的换热效率，提高制冷量，保证系统稳定散热。

相比于现有技术，本专利的有益效果为：

1、所述液冷模块和风冷装置通过自然散热装置进行自然冷却，极大地降低了能耗。

2、通过检测机构：第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器对系统状态的检测，以及调节机构：第一变频器、第二变频器、第三变频器、第四变频器、第一三通阀、第二三通阀和制冷补偿装置对系统工作的调控，保证系统在满足散热需求的同时避免过冷而导致服务器中部件收缩和产生凝露，使服务器在安全温度范围内稳定运行。

附图说明

图1是本专利的系统结构图。

具体实施方式

如图1所示的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，包括液冷模块10、风冷装置7、第一中间换热器4a、第二中间换热器4b和自然散热装置1，所述第一中间换热器4a一侧为第一吸热侧，另一侧为第一制冷侧，第二中间换热器4b一侧为第二吸热侧，另一侧为第二制冷侧，第一吸热侧与液冷模块10连通形成循环回路，第二吸热侧与风冷装置7连通形成循环回路；所述第一制冷侧和第二制冷侧的出口连通自然散热装置1的进口，第一制冷侧和第二制冷侧的进口连通自然散热装置1的出口，进而形成循环回路。

具体实施过程中，所述风冷装置7为风机墙空调末端，包括冷水盘管8和多个风机并联组成的风机墙9，风机墙9通过向冷水盘管8吹送空气来使冷水盘管8中的换热介质和数据中心的空气进行换热。

所述液冷模块10用于吸收服务器中主要发热元件的集中式热量，风冷装置7用于吸收服务器中其他元件的分散式热量。液冷模块10利用液体换热介质比热容大、对流换热快、蒸发潜热大等特点，所以才能够结合自然散热装置1对服务器主要发热元件进行自然冷却，满足散热需求，其次因为服务器中70%~80%的热量已被液冷模块带走，服务器中其余的分布式热量允许进一步提高送风温度到32℃，这使得风冷装置7能够结合自然散热装置1对服务器中的其他发热元件进行自然冷却，再者第一中间换热器4a和第二中间换热器4b的设置将液冷模块10、风冷装置7与自然散热装置1之间的换热回路分成了两级，间接缩短了自然散热装置1所在的换热回路，降低换热介质在换热回路中的压降，从而加快了换热介质的流速，提高换热效率。综上，本专利充分利用自然冷源进行散热，减少了机械制冷中压缩机等部件的运行和维护成本，极大地降低了能耗，节省了能源。

本专利还包括第一三通阀2，所述第一三通阀2包括第一接口a、第二接口b和第三接口c；所述第一制冷侧和第二制冷侧的出口均通过第一接口a和第二接口b连通自然散热装置1的进口，第一制冷侧和第二制冷侧的进口连通自然散热装置1的出口，进而形成循环回路，第三接口c连通自然散热装置1的出口。

所述第三接口c连通自然散热装置1的出口，意味着从第一制冷侧和第二制冷侧的出口输出的高温换热介质可以不经自然散热装置1进行换热，并重新回到中间换热器4中进行换热，所以当制冷量过剩时可以适当打开第三接口c，减少制冷量，节省自然散热装置1的能耗，还能够在一定程度上保护液冷模块10和冷水盘管8不会温度过低，可靠性高，因为当液冷模块10和冷水盘管8温度过低导致服务器温度过低时，服务器中的元件、电路板和线路等受冷收缩，有可能导致三者间接触不良等现象发生，同时也有可能因过冷而产生凝露现象，避免凝露导致的电路短路、霉菌滋生和材料腐蚀等安全隐患，进一步保证系统安全稳定运行。

本专利还包括第二三通阀6，所述第二三通阀6包括第四接口d、第五接口e和第六接口f，自然散热装置1的出口连通第四接口d，并通过第五接口e连通第一制冷侧的进口，通过第六接口f连通第二制冷侧的进口。

当冷水盘管8的制冷量过剩或液冷模块10的制冷量过少时，可适当增加第五接口e和第六接口f之间的开度比例，增加流到第一制冷侧中的换热介质，增加第一制冷侧的制冷量，从而使第一吸热侧能够从液冷模块10中吸收更多的热量；当冷水盘管8的制冷量过少或液冷模块10的制冷量过剩时，可适当降低第五接口e和第六接口f之间的开度比例，增加流到第二制冷侧中的换热介质，增加第二制冷侧的制冷量，从而使第二吸热侧能够从冷水盘管8中吸收更多的热量，因此，该第二三通阀6便于根据实际情况进行调整，灵活性好，提高了系统适应性。

所述第一吸热侧的出口上设有第一循环泵5a，第一循环泵5a上设有第一变频器20。

当制冷量不能满足液冷模块10的需求时，可适当升高第一变频器20的工作频率，使第一循环泵5a加快运转，提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量，稳定性好；当制冷量有盈余时，可适当降低第二变频器20的工作频率，使第二循环泵5减慢运转速度，降低回路中换热介质的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器因过冷而收缩或产生凝露而损害。

所述第二吸热侧的出口上设有第二循环泵5b，第二循环泵5b上设有第二变频器27。

当制冷量不能满足冷水盘管8的需求时，可适当升高第二变频器27的工作频率，使第二循环泵5b加快运转，提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量，稳定性好；当制冷量有盈余时，可适当降低第二变频器27的工作频率，使第二循环泵5b减慢运转速度，降低回路中换热介质的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器因过冷而收缩或产生凝露而损害。

本专利还包括设在自然散热装置1出口的第三循环泵3，第三循环泵3上设有第三变频器24。

当制冷量不能满足冷水盘管8或液冷模块10的需求时，可适当升高第三变频器24的工作频率，使第三循环泵3加快运转，提高回路中换热介质的换热效率，提高制冷量，稳定性好；当制冷量有盈余时，可适当降低第三变频器24的工作频率，使第三循环泵3减慢运转速度，降低回路中换热介质的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器因过冷而收缩或产生凝露而损害。

所述自然散热装置1为配置有风机的冷却塔或干冷器，且风机上设有第四变频器23。

当制冷量不能满足冷水盘管8或液冷模块10的需求时，可适当升高第四变频器23的工作频率，使自然散热装置1加快运转，提高换热介质与自然环境的换热效率，进而加大制冷量，保证系统正常运行；当制冷量有盈余时，可适当降低第四变频器23的工作频率，降低换热介质与自然环境的换热效率，从而降低制冷量，节约能耗，避免服务器过冷而收缩或产生凝露，造成损害。

本专利还包括并联自然散热装置1进口和出口的制冷补偿装置26。

当自然散热装置1不能提供足够的制冷量供冷或出现故障停止运行时，制冷补偿装置26就可以对自然散热装置1进行制冷补偿，保障系统正常散热。

所述制冷补偿装置26的所在支路上串联有二通阀25。

当制冷补偿装置26停止运行时，为避免一部分换热介质经过制冷补偿装置26的所在支路，降低换热效率，可关闭二通阀25保证换热介质在正确的回路中循环，保证系统正常运行，可靠性好。

所述冷水盘管8的进口设有第一温度传感器11，液冷模块10的进口设有第二温度传感器13。

所述冷水盘管8的出口设有第三温度传感器12，液冷模块的出口10设有第四温度传感器14。

本专利一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统的工作原理如下：

本系统在默认启动状态下关闭第三接口c，并根据液冷模块10和冷水盘管8的设计负荷配比分配第五接口e和第六接口f之间的开度比例。

1、当所述第三温度传感器12检测到的温度高于设定值，而第四温度传感器14检测到温度在设定范围内时，可适当提高第二变频器27的运行频率，加快换热介质的流动速率，提高制冷量；当所述第三温度传感器12检测到的温度在设定范围内，而第四温度传感器14检测到温度高于设定值时，可适当提高第一变频器20的运行频率，加快换热介质的流动速率，提高制冷量；当所述第三温度传感器检测12到的温度高于设定值，而第四温度传感器14检测到温度低于设定值，或者第三温度传感器12检测到的温度低于设定值，而第四温度传感器14检测到温度高于设定值时，可适当调整第五接口e和第六接口f之间的开度比例，将换热介质更多地分配到温度偏高的换热回路中，增加制冷量，保障系统稳定散热；当所述第三温度传感器12和所述第四温度传感器14同时检测到温度高于设定值时，优先提高第一变频器20和第二变频器27的运作频率，若无法有效降低温度，则关小第三接口c增大流经自然散热装置1的换热介质，接着按顺序依次提高第四变频器23和第三变频器24的运行频率，直至将第三温度传感器12和第四温度传感器14的温度降低到设定值合理范围内，保证系统稳定散热。

2、当所述第一温度传感器11和第二温度传感器13的其中一个检测到温度低于设定值，另一个检测到温度高于设定值时，可适当调整第五接口e和第六接口f之间的开度比例，将换热介质更多地分配到温度偏高的换热回路中，增加制冷量，保障系统稳定散热；当所述第一温度传感器11和第二温度传感器13同时检测到温度低于设定值时，优先降低第三变频器24的运行频率，接着降低第四变频器23的运行频率，减慢换热介质的流动速率，进而降低换热效率，若还能不能有效提高温度，则扩大第三接口c，减少流经自然散热装置1的换热介质，直至将第一温度传感器11和第二温度传感器13的温度升高到设定值合理范围内，节约能耗，避免服务器因过冷而收缩或产生凝露而损害。

3、当所述第三温度传感器12和第四温度传感器14均检测到温度高于设定值且第一变频器20和第二变频器27已升至最高频率，同时第一温度传感器11或第二温度传感器13检测到温度低于设定值时，优先执行工作原理1中的调节动作，提高自然散热装置1的供冷能力，确保系统正常散热。

4、在环境温度过高或自然散热装置1故障导致制冷量不足（即使采用工作原理1的调节动作也无法提供足够制冷量）时，启动制冷补偿装置26，并开启二通阀25，保障系统正常运行，向服务器提供足够的冷源，当自然散热装置1供冷能力充足或者故障修复完成后，停止制冷补偿装置26并关闭二通阀25。

Claims (10)

1.一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，包括液冷模块、风冷装置、第一中间换热器、第二中间换热器和自然散热装置，所述第一中间换热器一侧为第一吸热侧，另一侧为第一制冷侧，第二中间换热器一侧为第二吸热侧，另一侧为第二制冷侧，第一吸热侧与液冷模块连通形成循环回路，第二吸热侧与风冷装置连通形成循环回路；所述第一制冷侧和第二制冷侧的出口连通自然散热装置的进口，第一制冷侧和第二制冷侧的进口连通自然散热装置的出口，进而形成循环回路。

2.根据权利要求1所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，还包括第一三通阀，所述第一三通阀包括第一接口、第二接口和第三接口；所述第一制冷侧和第二制冷侧的出口均通过第一接口和第二接口连通自然散热装置的进口，第一制冷侧和第二制冷侧的进口连通自然散热装置的出口，进而形成循环回路，第三接口连通自然散热装置的出口。

3.根据权利要求1所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，还包括第二三通阀，所述第二三通阀包括第四接口、第五接口和第六接口，自然散热装置的出口连通第四接口，并通过第五接口连通第一制冷侧的进口，通过第六接口连通第二制冷侧的进口。

4.根据权利要求1所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述第一吸热侧的进口或出口上设有第一循环泵，第一循环泵上设有第一变频器。

5.根据权利要求1所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述第二吸热侧的进口或出口上设有第二循环泵，第二循环泵上设有第二变频器。

6.根据权利要求1所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，还包括设在自然散热装置出口或进口的第三循环泵，第三循环泵上设有第三变频器。

7.根据权利要求1所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述自然散热装置上设有第四变频器。

8.根据权利要求1所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，还包括并联自然散热装置进口和出口的制冷补偿装置。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述风冷装置的进口设有第一温度传感器，液冷模块的进口设有第二温度传感器。

10.根据权利要求1至8任一项所述的一种内循环独立式双级液气双通道自然冷却数据中心散热系统，其特征在于，所述风冷装置的出口设有第三温度传感器，液冷模块的出口设有第四温度传感器。